江西省生態(tài)公益林主要林分類型土壤水分的物理性質(zhì)

施重陽　衛(wèi)安江　徐昕　卜文圣　鄧文平

摘要：為了評價江西省生態(tài)公益林不同林分類型對土壤涵水能力的影響，選擇該區(qū)域內(nèi)4種主要林分[杉木（Cuninghamia lanceolata）林、濕地松（Pinus elliottii）林、馬尾松（Pinus massoniana）林、硬闊林]為研究對象，采用環(huán)刀法測定和比較不同林分的土壤容重、孔隙度、土壤含水量、田間持水量和飽和持水量等土壤物理、水分指標(biāo)，從而對林分土壤水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行定量評價。結(jié)果顯示，4種主要林分類型的土壤容重排序為濕地松林>杉木林>馬尾松林>硬闊林，容重大小依次為151、1.31、1.30、1.19 g/cm3;4種主要林分類型的土壤孔隙度排序依次為硬闊林>馬尾松林>杉木林>濕地松林;各林分類型的土壤隨著土層厚度的增加，土壤含水量、田間持水量和飽和持水量都呈現(xiàn)遞減趨勢;各林分類型土壤的涵水能力排序為硬闊林>馬尾松林>濕地松林>杉木林，其中硬闊林涵養(yǎng)水源的能力最強，而杉木林的水源涵養(yǎng)能力最弱。綜合分析表明，在江西省水源涵養(yǎng)區(qū)進(jìn)行造林恢復(fù)時，應(yīng)盡量避免營造高密度針葉林，尤其是大量營造杉木純林，應(yīng)結(jié)合種植有助于土壤結(jié)構(gòu)改良的落葉或常綠闊葉樹種。

關(guān)鍵詞：生態(tài)公益林;林分類型;水分物理性質(zhì);涵水能力

中圖分類號： S714.2;S725.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0171-05

收稿日期：2019-04-20

基金項目：江西省生態(tài)公益林項目（編號：9131206077）。

作者簡介：施重陽（1970—），男，江西南昌人，助理工程師，主要從事森林調(diào)查與監(jiān)測工作。E-mail：6095399@qq.com。

通信作者：鄧文平，博士，助理研究員，主要從事森林水文、同位素水文等方面的研究。E-mail：deng_wen_ping@126.com。

森林作為陸地上面積最大的生態(tài)系統(tǒng)，具有龐大的林冠層、深厚的枯落物層、發(fā)達(dá)的根系以及疏松多孔的森林土壤，林冠層、凋落物層和土壤層通過調(diào)節(jié)降水的截持再分配來發(fā)揮其水源涵養(yǎng)的功能，主要表現(xiàn)在改善林內(nèi)小氣候、減少地表蒸發(fā)、改良土壤結(jié)構(gòu)、補充地下水、調(diào)節(jié)河川徑流、減小地表侵蝕等[1-4]。而在這3個森林作用層中，土壤層對降水資源分配格局的影響最明顯，調(diào)配了90%的大氣降水，成為森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的重要組成部分[5-6]。

大量研究表明，人工植被的營造對土壤水源的涵養(yǎng)有積極的改善作用，但也存在消極的影響[7]。森林植被類型的差異，可能是造成人工林水源涵養(yǎng)能力差異的主要原因之一。不同的森林類型具有不同的生物學(xué)特性與林分結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)物質(zhì)周轉(zhuǎn)與養(yǎng)分歸還造成的土壤孔隙度對不同植被的響應(yīng)也不盡相同[8-10]。土壤孔隙狀況決定著土壤的蓄/持水能力及潛力[11]，因此，人工造林恢復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)的實踐活動對于[KG*8]土壤水源涵養(yǎng)的恢復(fù)效果可能依賴于造林樹種的選擇[12]。但是，由于研究區(qū)域的氣候和土壤條件的差異，以及造林樹種的選擇、造林密度和經(jīng)營管理方式等差異的研究還未得到統(tǒng)一的結(jié)論，通常認(rèn)為闊葉林的水源涵養(yǎng)能力優(yōu)于針葉林，此外有研究顯示，針葉純林的持水能力優(yōu)于針闊混交林[9，13-14]。因此，在具體的研究區(qū)域下，由于樹種本身的生物學(xué)特性及其群落結(jié)構(gòu)的差異而導(dǎo)致土壤涵水能力不同，將對該區(qū)域人工林涵養(yǎng)水源功能的恢復(fù)具有一定的指導(dǎo)意義。

江西人工林是我國中部森林的重要組成部分，作為江西省重要的水源涵養(yǎng)和水土保持生態(tài)公益林，對該區(qū)域乃至全國的生態(tài)功能提升與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。江西人工林區(qū)域以低山丘陵區(qū)作為主要地貌類型，山地面積占70%。由于降雨的年內(nèi)分布主要集中在雨季，且降雨量、降雨強度較大，同時由于自然、人為原因，使得該地區(qū)土壤貧瘠，抗沖抗蝕性差，極易發(fā)生水土流失和崩崗等次生災(zāi)害，在南方紅壤侵蝕中具有典型性和代表性[15]，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞及土壤水源涵養(yǎng)功能劇降，生態(tài)功能嚴(yán)重下降。伴隨著森林保護和人工植被恢復(fù)工程的實施，江西省的森林覆蓋率逐年提高，形成了多種針葉或闊葉為主的林分，但同時又出現(xiàn)了新的問題，如物種組成單一、群落結(jié)構(gòu)簡單、生態(tài)功能難以恢復(fù)等。如何改善鄱陽湖流域生態(tài)公益林的結(jié)構(gòu)組成，提高現(xiàn)有林分涵養(yǎng)水源的功能，是當(dāng)前江西省森林植被恢復(fù)面臨的關(guān)鍵問題之一。因此，本研究選擇江西省生態(tài)公益林幾種主要的林分類型（杉木林、濕地松林、馬尾松林以及硬闊林）作為研究對象，通過分析不同林型人工林的土壤理化性質(zhì)，以比較其在土壤涵水能力方面的差異，以期為該區(qū)域人工植被水源涵養(yǎng)功能的恢復(fù)與提升提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)自然概況

江西省地處長江中下游以南地區(qū)，地理位置為24′29″～30′05″N，118′29″E，全省面積為16.69萬km2，其中山地面積約占全省面積的36%，丘陵占42%，是我國南方丘陵的主要分布區(qū)。該地區(qū)屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖，降雨量充沛，植被覆蓋率高。獨特的地理位置，使得該地區(qū)的植被類型豐富。該地區(qū)的生態(tài)公益林主要有常綠闊葉林、馬尾松林、毛竹林、杉木林、濕地松林等。森林土壤主要有紅壤、山地黃壤、山地黃棕壤等類型，土層厚度大多為40～100 cm，腐殖質(zhì)層厚度大約為8～20 cm，土壤偏酸性。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地調(diào)查設(shè)置方法 于2016年11月，依據(jù)《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》（2014年修訂版）從江西省生態(tài)公益林監(jiān)測樣地中選取具有代表性的4種處于中齡林階段的典型林分類型的33塊樣地，其中馬尾松林7塊，濕地松林6塊，杉木林6塊，硬闊林14塊，樣地面積為28.2 m×28.2 m=800 m2，分別在樣地的西南、西北和東南角設(shè)3個面積為 1 m×1 m 的樣方，調(diào)查樣方內(nèi)枯落物層的厚度，在每個樣方的對角線上選擇1個面積為0.5 m×0.5 m=0.25 m2的區(qū)域，收集枯落物，稱鮮質(zhì)量并帶回實驗室烘干，稱量并計算干物質(zhì)量。檢測每木林木胸徑、樹高及植被情況，詳見表1。在樣地的東北角挖取1個土壤剖面，每個土壤剖面用200 cm2的環(huán)刀分別在0～10、10～30、>30 cm 3個土壤層上取原狀土，帶回實驗室進(jìn)行土壤物理性質(zhì)的測定分析。

1.2.2 土壤物理性質(zhì)的測定及分析方法 參照環(huán)刀法[16]測定土壤水分物理性質(zhì)，用烘干法測定土壤含水量。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行處理，通過SPSS 22.0 進(jìn)行平均值的單因素方差分析（One-Way ANOVA）和最小顯著性差異法（LSD）檢驗不同林分類型、不同土層深度上物理性質(zhì)的差異顯著性。由原始數(shù)據(jù)擬合得到的多元回歸關(guān)系經(jīng)統(tǒng)計學(xué)檢驗，得到擬合度參數(shù)R2，并在005、0.01水平檢驗相關(guān)系數(shù)的顯著性，用Origin 10.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤自然含水率

土壤含水量作為土壤的一個重要物理參數(shù)，是水循環(huán)、植物生長、土壤承載力、林分結(jié)構(gòu)等科學(xué)研究中不可缺少的基本資料。土壤水分含量既影響根系的生長，也影響土壤養(yǎng)分向根表的遷移速度及距離，決定根系的發(fā)展方向和縱向范圍，從而影響土壤養(yǎng)分的有效性。由表2可知，不同林分類型的土壤自然含水率均值排序為杉木林>硬闊林>馬尾松林>濕地松林，分別為21.62%、19.21%、18.66%、1654%。對同一林型不同層次的土壤含水率進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示，4種林分類型的表層土壤含水率大于其他土層，但是各層次間的含水率差異不明顯;不同林型間以杉木林的土壤含水率最大，但是4種林分類型在同一層土壤的差異也不明顯。

2.2 不同林分類型的土壤容重、孔隙度及其特征變化

由圖1-a、表3可以看出，4種林分類型0～60 cm土壤容重均值排序為濕地松林>杉木林>馬尾松林>硬闊林，大小依次為1.51、1.31、1.30、1.19 g/cm3。方差分析結(jié)果顯示，濕地松林下土壤容重均值顯著大于其他林型（F=6367），而杉木林、馬尾松林和硬闊林下的土壤容重差異不顯著。

4種林分類型的土壤容重均隨土層深度的增加而增大，0～10 cm土層的容重小于其他土層，4種林分類型的土壤容重排序為硬闊林<杉木林<馬尾松林<濕地松林，且硬闊林、馬尾松林與濕地松林的差異顯著。而隨著土壤深度的加深（>10 cm），硬闊林的土壤容重與馬尾松林的差異減小，且差異不顯著，而與濕地松林的差異一直處于顯著水平。

由圖1-b可以看出，從整體上看，不同林型下0～60 cm土壤的總孔隙度均值以硬闊林最大，且與馬尾松林接近，總孔隙度排序為硬闊林>馬尾松林>杉木林>濕地松林，大小分別43.67%、42.06%、39.59%、39.24%，4種林型下的土壤總孔隙度均值差異不顯著。各林地0～10、10～30、>30 cm土層土壤的總孔隙度分別為22.45%～61.00%、16%～56%、25.16%～60.00%，均值依次為44.73%、40.35%、40.46%。由表3可以看出，整體上，隨著土層深度的增加，土壤總孔隙度降低，但是同一樹種不同土層間的土壤總孔隙度差異不顯著，而同一土層不同樹種間的土壤孔隙度差異也不顯著，在 0～10、>30 cm土層，土壤總孔隙度表現(xiàn)為馬尾松林、硬闊林大于濕地松林和杉木林。

由圖1-c可以看出，土壤毛管孔隙度均值排序為杉木林>硬闊林>濕地松林>馬尾松林，大小較為接近，依次為33.76%、33.20%、33.00%、32.19%，且不同林型間沒有顯著差異。由表3可以看出，同一樹種不同土層間的土壤總孔隙度差異不顯著，且同一土層不同樹種間的差異也不顯著。

由圖1-d可以看出，不同林型下0～60 cm土層土壤的非毛管孔隙度排序為硬闊林>馬尾松林>濕地松林>杉木林，大小依次為10.34%、7.90%、6.27%、6.04%，且硬闊林與杉木林的差異明顯，其他林型之間差異不顯著。各林地 0～10、10～30、>30 cm土層土壤的非毛管孔隙度分別為135%～5885%、1.28%～21.73%、3.50%～21.80%，均值依次為1052%、7.31%、6.89%，整體上隨著土層深度的增加而降低，且同一林型不同土層間的差異以及同一土層不同林型間的差異均不顯著，只有10～30 cm土層濕地松林與硬闊林下的土壤非毛管孔隙度之間的差異達(dá)到顯著水平，而對于各土層來說，土壤非毛管孔隙度均表現(xiàn)為硬闊林最大，而杉木林最小。

2.3 不同林分類型土壤水分的物理特征

土壤持水能力與其水分的物理性質(zhì)密切相關(guān)，土壤的總孔隙度、有機質(zhì)和土壤顆粒組成等都是其影響因素。土壤的最大持水量反映了土壤的蓄水能力，而毛管持水量則能反映林地的供水能力，土壤水分的蓄持和供給能力是林地水源涵養(yǎng)調(diào)節(jié)功能的重要方面。由圖2-a可以看出，不同林分類型間0～60 cm 土層土壤的最大持水量均值以硬闊林最大，排序為硬闊林>馬尾松林>杉木林>濕地松林，其值分別3979%、33.42%、32.51%、28.64%;在4種林型下，硬闊林與濕地松林的土壤最大持水量均值間差異顯著，而其他林分類型之間差異不顯著;各林地0～10、10～30、>30 cm土層土壤的最大持水量分別為18.8%～728%、11.69%～5510%、13.4%～51.7%，均值依次為4243%、31.39%、2979%，且對于各土層來說，不同林型土壤的最大持水量均以硬闊林最大，馬尾松次之，濕地松林最小，但是在不同林分之間沒有顯著差異。而在同一林型下，不同土層之間的差異也不顯著，只有硬闊林表層0～10 cm 土壤的最大持水量顯著大于下層土壤。

由圖2-b可以看出，對于0～60 cm土層的土壤毛管持水量而言，不同林型之間在整體上都沒有顯著差異，其排序依然是硬闊林>杉木林>馬尾松林>濕地松林，大小依次為29.78%、27.02%、26.18%、23.15%;各林地0～10、10～30、>30 cm土層土壤的最大持水量分別為1408～61.73%、1002%～43.91%、13.20%～46.57%，均值依次為31.32%、25.00%、24.29%，從表層到深層逐漸減小。對于同一土層而言，不同林分類型的土壤毛管持水量的排序結(jié)果與整體規(guī)律相符，且沒有顯著差異;對于同一林分類型不同土層的毛管持水量而言，只有硬闊林的表層土壤顯著高于下層土壤，而其他林型在不同土層之間沒有顯著差異。

2.4 不同林分類型與土壤持水力及物理性質(zhì)之間的關(guān)系

由表4的相關(guān)性分析可知，林地凋落物儲量與土壤容重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤總孔隙度、最大持水量、最小持水量及毛管持水量的相關(guān)性也達(dá)到顯著水平，而與土壤毛管孔隙、非毛管孔隙的相關(guān)性不顯著。

3 總結(jié)與討論

本試驗選取了杉木林、濕地松林、馬尾松林、硬闊林4種不同林分類型，從0～10、10～30、>30 cm 3個不同土壤深度對這幾個類型樣地的土壤容重、持水量、孔隙度等物理性質(zhì)進(jìn)行分析。研究結(jié)果顯示，無論是土壤孔隙度（包括總孔隙度、非毛管孔隙度）還是持水能力（包括最大持水量、毛管持水量），硬闊林都表現(xiàn)得最好，馬尾松林次之，而濕地松林最低。說明林分的群落結(jié)構(gòu)、物種組成等的變化使得土壤性質(zhì)發(fā)生了改變[17-19]，而不同生物學(xué)特性的樹種對土壤物理性質(zhì)的影響效果不同，相對于針葉杉木林、濕地松林而言，硬闊林、馬尾松林更有利于土壤結(jié)構(gòu)、通透性等物理性質(zhì)的改良，從而提高了土壤的水源涵養(yǎng)能力。

不同樹種的生物學(xué)特性差異對土壤容重、孔隙度的影響不同。對于不同的林分類型，其林下枯落物儲量的大小和分解特性有較大差異，這種差異直接影響了有機質(zhì)的歸還，而這些有機質(zhì)將促進(jìn)土壤團聚體結(jié)構(gòu)的形成，使土壤中黏粒、石英顆粒黏聚而形成團粒結(jié)構(gòu)[20]，而土壤良好結(jié)構(gòu)的形成使得土壤的物理性質(zhì)得以改善。對林下凋落物儲量和厚度的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，硬闊林<馬尾松林<杉木林<濕地松林，常綠針葉林濕地松及杉木林的林下枯落物儲量和厚度較大，但是由于其很難分解，因而對土壤孔隙結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的改良作用較小，而天然闊葉林地表枯落物的分解速率快，枯落物快速腐爛后，有機質(zhì)歸還土壤的速率更快，因此其孔隙度和持水力也更高。對于同樣為針葉林的馬尾松林分來說，江西省對天然馬尾松林實施長期的封育措施，現(xiàn)有的馬尾松林分大部分為飛播林的次生林分，因此林分密度大，同時隨著封育年限的增加，林分植被組成及枯落物也會隨之增加，這2個方面的共同作用，不僅促進(jìn)了地表枯落物的分解，同時也增加了土壤中根系的生物量及其歸還，而凋落物的歸還勢必會影響有機質(zhì)對土壤孔隙結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)的改善。根據(jù)枯落物儲量與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)分析結(jié)果，其與土壤容重呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與總孔隙度、持水力等都呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這也間接印證了枯落物回歸有助于改良土壤物理結(jié)構(gòu)的觀點。

反之，土壤物理性質(zhì)的改良又促進(jìn)了植被的生長。土壤結(jié)構(gòu)、通透性等物理性質(zhì)的提高會影響土壤的三相（固相 、液相、氣相）比、土壤的生物活動及土壤團內(nèi)元素的釋放和固定，從而影響林木的生長。一般認(rèn)為，土壤中大小孔隙同時存在時，若總孔隙度在50%左右、毛管與非毛管孔隙度的比值在1.5～4.1之間時，透水性、通氣性和持水能力比較協(xié)調(diào)。當(dāng)非毛管孔隙度為6%～10%時，林木生長一般;當(dāng)非毛管孔隙度為10%～15%時，林木生長中等;當(dāng)非毛管孔隙度>15%時，林木生長良好[21]。江西省生態(tài)公益林的4種林分類型中，只有天然闊葉林的非毛管孔隙度均值超過10%，其他3種林分的土壤非毛管孔隙度均值都在6%～10%之間，毛管和非毛管孔隙度的比值在2.58～6.35之間，樹木長勢一般，其中天然闊葉林的生長情況最好，其次依次為馬尾松林、濕地松林、杉木純林，生長情況一般。這種良性的互作效應(yīng)促進(jìn)了林分水源涵養(yǎng)能力的提高。

本研究通過對江西省生態(tài)公益林不同林分類型下土壤物理性質(zhì)及持水能力差異的對比分析，得出樹種的生物學(xué)特性不同，在改良土壤結(jié)構(gòu)和持水能力方面有差異，天然闊葉林和天然馬尾松林分能夠有效改善土壤的孔隙和持水狀況，而人工針葉杉木純林和濕地松林土壤的孔隙度和持水力則相對較低，這主要歸因于林地枯落物的分解和歸還速率，以及林分結(jié)構(gòu)的差異。因此，在進(jìn)行生態(tài)公益林營造時，應(yīng)盡量避免成片種植針葉純林，需要增加一定比例的闊葉樹種。同時，在對現(xiàn)有低效公益林進(jìn)行改造時，也可以補植一些水源涵養(yǎng)能力較好的闊葉樹種，同時可實施局部的長期封育，以增加植被組成，改善冠層結(jié)構(gòu)，有利于森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的整體提高。

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